Des chercheurs du laboratoire Cavendish ont identifié la cohérence de spin dans les défauts atomiques du nitrure de bore hexagonal (hBN) dans des conditions ambiantes, une réalisation rare dans les matériaux quantiques. L'étude, publiée dans Nature Materials, souligne que ces spins peuvent être contrôlés par la lumière et ont des implications prometteuses pour les futures technologies quantiques, notamment la détection et les communications sécurisées. Les résultats soulignent également la nécessité d’une exploration plus approfondie pour améliorer la fiabilité des défauts et prolonger les durées de stockage des spins, soulignant ainsi le potentiel du hBN dans l’avancement des applications technologiques quantiques. Crédit : Eleanor Nichols, Laboratoire Cavendish
Les scientifiques du laboratoire Cavendish ont découvert la cohérence de spin dans le nitrure de bore hexagonal (hBN) dans des conditions normales, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour les applications de la technologie quantique.
Les scientifiques du laboratoire Cavendish ont découvert qu'un seul « défaut atomique » dans un matériau connu sous le nom de nitrure de bore hexagonal (hBN) maintient la cohérence de spin à température ambiante et peut être manipulé à l'aide de la lumière.
La cohérence de spin fait référence à un spin électronique capable de conserver des informations quantiques au fil du temps. La découverte est importante car les matériaux pouvant héberger des propriétés quantiques dans des conditions ambiantes sont assez rares.
Les résultats publiés dans Matériaux naturels, confirment en outre que la cohérence de spin accessible à température ambiante est plus longue que ce que les chercheurs avaient initialement imaginé. « Les résultats montrent qu'une fois que nous écrivons un certain état quantique sur le spin de ces électrons, cette information est stockée pendant environ 1 millionième de seconde, faisant de ce système une plate-forme très prometteuse pour les applications quantiques », a déclaré Carmem M. Gilardoni, co-analyste. -auteur de l'article et boursier postdoctoral Rubicon au Laboratoire Cavendish.
« Cela peut paraître court, mais ce qui est intéressant est que ce système ne nécessite pas de conditions particulières : il peut stocker l'état quantique de spin même à température ambiante et sans nécessiter de gros aimants. »
Caractéristiques du nitrure de bore hexagonal
Le nitrure de bore hexagonal (hBN) est un matériau ultra-mince composé d'un matériau empiléatome-des couches épaisses, un peu comme des feuilles de papier. Ces couches sont maintenues ensemble par les forces entre les molécules. Mais parfois, il existe des « défauts atomiques » à l’intérieur de ces couches, semblables à un cristal dans lequel des molécules sont piégées. Ces défauts peuvent absorber et émettre de la lumière dans le domaine visible avec des transitions optiques bien définies et peuvent agir comme des pièges locaux pour les électrons. Grâce à ces « défauts atomiques » au sein du hBN, les scientifiques peuvent désormais étudier le comportement de ces électrons piégés. Ils peuvent étudier la propriété de spin, qui permet aux électrons d'interagir avec les champs magnétiques. Ce qui est vraiment passionnant, c'est que les chercheurs peuvent contrôler et manipuler les spins électroniques en utilisant la lumière présente dans ces défauts à température ambiante.
Cette découverte ouvre la voie à de futures applications technologiques, notamment dans le domaine des technologies de détection.
Cependant, comme c’est la première fois que quelqu’un signale la cohérence de spin du système, il reste encore beaucoup à étudier avant qu’il ne soit suffisamment mature pour des applications technologiques. Les scientifiques cherchent encore comment rendre ces défauts encore meilleurs et plus fiables. Ils étudient actuellement jusqu'où nous pouvons prolonger la durée de stockage des spins et si nous pouvons optimiser les paramètres du système et des matériaux qui sont importants pour les applications de la technologie quantique, tels que la stabilité des défauts dans le temps et la qualité de la lumière émise par ce défaut.
Perspectives d'avenir et remarques finales
« Travailler avec ce système nous a mis en évidence la puissance de l’investigation fondamentale des matériaux. Quant au système hBN, en tant que domaine, nous pouvons exploiter la dynamique des états excités dans d’autres nouvelles plates-formes matérielles pour les utiliser dans les futures technologies quantiques », a déclaré le Dr Hannah Stern, première auteure de l’article, qui a mené cette recherche au laboratoire Cavendish et est aujourd'hui chercheur universitaire de la Royal Society et maître de conférences à l'Université de Manchester.
À l’avenir, les chercheurs envisagent de développer davantage le système, en explorant de nombreuses directions différentes, depuis les capteurs quantiques jusqu’aux communications sécurisées.
« Chaque nouveau système prometteur élargira la boîte à outils des matériaux disponibles, et chaque nouvelle étape dans cette direction fera progresser la mise en œuvre évolutive des technologies quantiques. Ces résultats confirment la promesse des matériaux en couches pour atteindre ces objectifs », a conclu le professeur Mete Atatüre, chef du laboratoire Cavendish, qui a dirigé le projet.
